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Équilibre et sens d'évolution
Acide-base
Sujet Bac Corrigé - Transport du dioxygène dans le sang - Bac S Nouvelle-Calédonie rattrapage 2006 (ancien programme) - Ex 1 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2006
Bac S (ancien programme)
L'exercice 1 du bac S Nouvelle-Calédonie rattrapage 2006 (6,5 points, environ 1 h 18) suit le dioxygène dans le sang, des poumons jusqu'aux muscles, puis étudie l'intoxication au monoxyde de carbone.
- Tableau d'avancement, avancement maximal et taux d'avancement final de la fixation du dioxygène sur l'hémoglobine.
- Quotient de réaction et sens d'évolution spontanée au niveau des organes.
- Couple CO2,H2O / HCO3- : diagramme de prédominance et pH sanguin pendant l'effort.
- Constante d'équilibre d'une combinaison de réactions et principe du caisson hyperbare.
Sujet officiel et corrigé détaillé gratuits en PDF, avec les pièges et les méthodes question par question.
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Le sang, une solution chimique en équilibre
L'exercice 1 du bac S Nouvelle-Calédonie rattrapage 2006, noté sur 6,5 points (environ 1 h 18 conseillée), modélise le transport du dioxygène par l'hémoglobine. Le sang est assimilé à une solution aqueuse et l'on ne raisonne que sur une sous-unité d'hémoglobine, notée Hb. Les quatre parties sont indépendantes : on peut donc avancer même si une question bloque.
Partie 1 : fixation du dioxygène dans les poumons
Quantité de matière et avancement
Avec 15 g de sous-unités et une masse molaire de 1,6 × 104 g/mol, on obtient n0 = 9,4 × 10-4 mol dans 100 mL de sang. Le dioxygène étant en excès, Hb est le réactif limitant et l'avancement maximal vaut n0. Le tableau d'avancement est simple, tous les nombres stœchiométriques valant 1.
Taux d'avancement final et débit cardiaque
Le taux d'avancement final τf = 0,97 donne xf = 9,1 × 10-4 mol d'oxyhémoglobine. Comme τf est inférieur à 1, la transformation n'est pas totale : l'état final est un équilibre. Pour 5,0 L de sang traités en une minute, la proportionnalité donne nS = 4,5 × 10-2 mol. Le piège classique est de diviser des litres par des millilitres : convertir 100 mL en 0,100 L avant tout calcul.
Partie 2 : libération au niveau des organes
Le quotient de réaction initial vaut Qr1 = 9,0 × 105, supérieur à K1 = 3,0 × 105. Le système évolue donc dans le sens inverse : l'oxyhémoglobine se dissocie et libère le dioxygène là où il est consommé. Le critère d'évolution spontanée (comparer Qr à K) est la méthode à retenir.
Partie 3 : l'effort musculaire et le pH
Le dioxyde de carbone dissous réagit avec l'eau en formant des ions oxonium et des ions hydrogénocarbonate. Avec un pKa de 6,4, le diagramme de prédominance montre qu'à pH 7,4 l'ion HCO3- prédomine. La production d'ions H3O+ devrait faire baisser le pH, mais ces ions réagissent avec l'oxyhémoglobine : cette réaction libère du dioxygène et consomme les ions oxonium, ce qui limite la variation de pH. Il faut ici rédiger avec soin en s'appuyant sur le quotient de réaction de l'équation (3).
Partie 4 : intoxication au monoxyde de carbone
À partir de K4 = 7,5 × 107, on isole le rapport [HbCO]/[Hb], égal à 1,5 × 104 : d'après le tableau du sujet, la personne ressent des maux de tête. L'équation (5) s'obtient en combinant (4) et l'inverse de (1), d'où K5 = K4/K1 = 2,5 × 102. L'erreur fréquente consiste à soustraire ou multiplier les constantes au lieu de les diviser. Enfin, le caisson hyperbare augmente la concentration en dioxygène : le quotient de réaction dépasse K5 et le système évolue en sens inverse, ce qui libère l'hémoglobine du monoxyde de carbone.
Conseils pour réussir cet exercice
Gardez les valeurs non arrondies dans la calculatrice pour enchaîner les calculs, soignez les chiffres significatifs et justifiez chaque sens d'évolution par une comparaison explicite entre quotient de réaction et constante d'équilibre. Le corrigé détaille chaque étape avec les pièges à éviter.